m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

выемок засыпались из ближайшего (не далее 300–400 м) обнажения пылеватой сланцевой горной породы с последующей досыпкой и планировкой этими же породами. В результате сформировались дополнительные очаги пучения с последующим образованием новых выбоин, рытвин и дополнительным разрушением участков асфальтового покрытия (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид участка автодороги. Разрушенное покрытие в местах образования выбоин и рытвин

на проезжей части и обочинах. ПК 190. Фото 2010 г.

По интенсивности пучинообразования в грунтах трасса автодороги относится к IV району (Барабинскому), по предзимней влажности грунтов – к II району, для которого характерным является условие, когда влажность грунта больше влажности разрыва капилляров, по которым идет фильтрация, но меньше наименьшей полевой влагоемкости, которая численно близка к влажности порога пучения [3].

Наличие пылеватых легких грунтов, заложенных в тело земляного полотна в предыдущие 20–25 лет и в ходе ремонтных работ, обеспечило образование пучин с разрушением дорожной одежды почти на всем протяжении автомобильной дороги. Вместе с этим образованию пучин могло, очевидно, способствовать неглубокое залегание грунтовых вод. Предзимняя влажность грунта в теле насыпи значительно превышает суммарную влаго-

111

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

емкость грунта и количество незамерзшей воды. Одним из факторов, определяющих пучинообразование, является медленное и глубокое (до 2,5–3 м) промерзание грунтов.

Проходящий транспорт, включая большегрузные автомобили, часто пользуется обочинами, увеличивая этим их ширину, способствуя ускоренному разрушению кромки покрытия, образованию дополнительных ям и рытвин.

На участке геодезических работ замечена неравномерность пучения, обусловленная, вероятно, неоднородностью грунта в теле земляного полотна, различной степенью его плотности, влиянием местного увлажнения и другими факторами. По данным многолетних наблюдений образование пучин происходило после зимы, которой предшествовал летне-осенний период с обильными дождями. Максимальная высота вспученных участков достигала 0,5 м, длина от 2–3 м до 6–8 м. Бугры пучения располагались как в середине проезжей части или вблизи нее, так и на обочинах.

Нередко деформации покрытия и верхнего слоя основания простираются на всю ширину проезжей части, образуя так называемую «стиральную доску». Глубина выбоин от 5 до 35 см и более, протяженность по оси дороги от 0,5 м до нескольких метров и по ширине дороги от 0,3–0,5 м до 1,5–4,5 м, включая обочины.

Оценка воздействия природно-климатических факторов возможна лишь на основе статистической обработки многочисленных наблюдений за общей величиной вспучивания с целью установления корреляционных связей [4].

Визуальное обследование участка геодезических работ показало, что он относится к жесткому типу одежды, усовершенствованному облегченным покрытием. В нем кроме напряжения сжатия под воздействием нагрузки возникают растягивающие напряжения изгиба. Конструктивными элементами покрытия и основания дорожной одежды были щебеночно-гравийные смеси, пропитанные органическими вяжущими или уложенные способом смешения на дороге. Размер фракций щебня и отдельных скальных обломков, заложенных в тело насыпи при одном из последующих ремонтов, в зависимости от размеров образовавшихся выбоин (от 0,5 до 2,5 м), при ликвидации бугров пучения колебался от 5 до 150 см и более. После ликвидации бугров пучения в местах их формирования средняя толщина деформированных слоев дорожной одеж-

112

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

ды составляет 5–35 см. Подобная неравномерность толщины слоев покрытия и основания не отвечала главному требованию, предъявляемому к конструкции одежды. Оно заключается в том, чтобы деформация нижних слоев под действием нагрузки от движущегося транспорта не была больше деформации вышележащего слоя.

На всем протяжении участка измерений имеет место нарушение сплошности дорожного покрытия. Одежда автомобильной дороги деформирована, в отдельных местах почти по всему поперечнику земляного полотна, включая обочины. Дорожная одежда деформирована изгибом в двух плоскостях – вдоль и поперек дороги. Целостность сохранившихся участков покрытия также нарушена трещинами (см. рис. 1).

Немаловажную роль в формировании существующего состояния участка дороги следует, очевидно, отвести нагрузкам от движущегося транспорта, явно не соответствующим категории дороги и ее содержанию. Автомобильная дорога находится под воздействием динамических переменных нагрузок различной величины – от легковых машин с расчетной нагрузкой на ось менее 4 т до многотонных грузовых фур и автопоездов, перевозящих щебень и уголь с нагрузкой на ось 10 т и более.

Общие сведения о неровности покрытия автомобильных дорог

Автомобильные дороги характеризуются рядом параметров, значения которых регламентируется нормативными документами – ГОСТами, СНиПами, различными ТУ и ОДН. К таким параметрам относится ровность дорожного покрытия. Ровность покрытия автомобильной дороги – один из основных показателей, обеспечивающих удобство движения по дороге. Ровность оказывает решающее влияние на скорость движения автомобилей, расход топлива, износ покрытия и протекторов, а также движение транспорта по дороге в целом.

Плохое состояние дорожного покрытия во многом ухудшает условия движения: возникают вредные для водителя и автомобиля вибрации, значительно усложняются условия работы водителя, потому что ему приходится отслеживать состояние дороги в сменяющие друг друга длинные и короткие периоды времени. Часто приходится изменять траекторию движения, выполняя торможения и разгоны. Водитель отвлекается от других элемен-

113

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

тов дороги и автомобиля, важных с точки зрения безопасности дорожного движения. Ухудшение ровности дорожного покрытия приводит к повышению аварийности.

Все основные неровности относятся к микропрофилю поверхности покрытия. Значительная часть этих неровностей формируется на стадии строительства, когда фактический микропрофиль покрытия отличается от проектного на размер допустимых просветов под 3-метровой дорожной рейкой. В процессе эксплуатации дороги число и размеры неровностей увеличивается. Факторы, влияющие на увеличение амплитуды и размеры неровностей, связаны с деструктивными процессами в земляном полотне, дорожной одежде и качеством уложенного покрытия. Влияние любого из приведенных факторов или их комплекса приводит к изменениям в состоянии дорог. Поэтому неровности покрытия максимально объективно отражают фактическое состояние автомобильной дороги и динамику его изменения [1].

Ровность дорожных покрытий оказывает значительное влияние на эксплуатационные характеристики автотранспорта. Движение по неровной поверхности приводит к быстрому износу автомобиля. Автомобили при многократных ремонтах с частой заменой отдельных агрегатов выходят из строя через 10–15 лет, а при интенсивной эксплуатации – через 5–7 лет. Толчки из-за неровности покрытия не дают возможности движения с высокой скоростью, которая обеспечивается параметрами трассы дорог высшей категории и мощностью двигателей. Экспериментами было установлено увеличение расхода топлива до 35 % с ростом показателя неровности покрытия. Не до конца решен вопрос о влиянии на человека колебаний автомобиля при движении по неровной поверхности. Связь удобства движения в зависимости от ровности покрытия на количественном уровне пока не установлена [2].

Контроль качества – обязательная часть технологического процесса по устройству покрытия автомобильной дороги. Контроль ровности покрытия (основания) выполняют как в процессе технологической операции (операционный контроль), так и при сдаче в эксплуатацию с измерением фактических отклонений неровностей от допустимой величины. Оценка ровности автодорожного покрытия выполняется с привлечением специализиро-

114

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

ванных лабораторий, с помощью различных приспособлений, устройств и геодезическими методами.

По правилам приемки сдача дороги в эксплуатацию разрешена, если просвет между поверхностью покрытия и уложенной вдоль дороги прямой между точками на длине не более 5 м не превышает следующих значений: для цементобетонных и асфальтобетонных покрытий – не более 0,5 см, для щебеночных, гравийных и шлаковых – 1,5 см, для каменной мостовой – 3 см. Отклонения от этих норм допускаются по СНиП 3.06.03–85 и ГОСТ 31412–96 [5, 6].

Ровность покрытия определяет плавность движения автомобиля, оцениваемую коэффициентом тряски К, м/с2. Параметр К характеризует условия движения при той или иной скорости и в среднем принимает ускорение толчка от неровности, повторяющееся 10 раз на 1 км пути. Очень плохая плавность считается при К ≥ 0,25 м/с2. Для аналитических расчетов, определяющих характеристики ровности, используют следующие показатели [1]:

1)математическое ожидание – среднее значение неровности;

2)среднее квадратическое отклонение – дисперсия, характеризующая разброс отдельных значений неровностей по сравнению со средним значением;

3)корреляционные функции – зависимости, характеризующие связь между размером неровностей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Методы определения неровности покрытия автомобильных дорог

Существует несколько десятков способов и средств измерения ровности. Они делятся на прямые и косвенные. Прямые способы более точные и используются при операционном контроле и приемке дорог в эксплуатацию [1, 7].

К прямым методам относятся:

–метод амплитуд,

–метод измерения неровностей относительно заданной плоскости (рейка дорожная универсальная),

–метод измерения стрел изгиба в вертикальной плоскости относительно заданной базы (профилограф).

Погрешность измерения неровностей прямыми методами составляет 1 мм. Значение ровности определяется в проценте откло-

115

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

нений величин неровностей, превышающих допуск, согласно при-

ложению к СНиП 3.06.03–85 [5].

Прямые методы являются высокоточными и используются при операционном контроле на участках капитального ремонта, реконструкции, строительстве новых магистралей и аэродромов.

Из прямых методов наиболее точным и достоверным является метод амплитуд. Кроме того, метод амплитуд является наиболее трудоемким из прямых методов, он основан на определении неровностей по высотным отметкам, полученным путем геометрического нивелирования точек, закрепленных краской через 5 м на проезжей части дороги. Менее трудоемким является метод, при котором используются рейка дорожная универсальная и клиновый промерник. У метода амплитуд наиболее низкая производительность (0,5 км/ч),

К достоинствам и недостаткам прямых методов принято относить следующее. Прямые методы определения ровности наиболее высокоточные и характеризуются измерением или вычислением стрел изгиба в вертикальной плоскости на заданной базе от 10 см до 40 м.

Метод амплитуд обеспечивает высокую точность определения амплитуды неровности, высокую точность воспроизводимости результатов измерений (внутренняя сходимость). Основным недостатком является жесткая база измерений – 5 м. Эта база не позволяет определять неровности менее длины базы, например 4 м, что не дает возможности объективно оценивать состояние покрытия. В соответствии с ГОСТ [6] работы выполняются нивелиром с разбивкой, закреплением точек, что трудоемко и дорого по затратам средств и времени. При автоматизации метода амплитуд указанные недостатки можно полностью исключить.

Рейка универсальная дорожная не обеспечивает достаточную производительность работ, при этом является удобной при контактных измерениях на ограниченных участках. Точность измерений также высокая. Недостатком является ограниченная база измерения – 5 м, что не позволяет измерять неровности длиной более

5 м.

Косвенные способы применяются с целью оценки состояния дорог для разработки проектов реконструкции и ремонта, а также мероприятий по содержанию дорог.

116

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Среди методов измерений неровностей приборы нашли широкое применение при проведении диагностики, операционном контроле, приемке пусковых комплексов в эксплуатацию и т.д.

Косвенные методы и устройства, созданные на основе прямых методов, применяются при проведении диагностики для назначения ремонта, оценки состояния дорог по безопасности. По сравнению с прямыми косвенные методы полностью автоматизированы и являются менее трудоемкими.

Наиболее высока производительность при использовании ТХК-2 или ПКРС-2У – около 50 км/ч. Но эти устройства дают наименьшую точность измерения ровности.

При приемке дорог в эксплуатацию из-за высокой точности и достоверности Федеральным дорожным агентством рекомендовано определять ровность методом амплитуд в соответствии с ГОСТ 30412–96.

К выполнению работ по диагностике автомобильных дорог привлекаются различные организации, оснащенные, как правило, неоднотипными установками. Поэтому получить сопоставимые оценки о состоянии ровности диагностируемой сети автомобильных дорог по результатам измерений с помощью толчкомеров без принятия дополнительных мер затруднительно.

При диагностике автомобильных дорог в различных регионах с помощью разнотипного оборудования рассмотренный вариант получения сопоставимых данных практически не приемлем. В этом случае в качестве эталонного средства контроля необходимо выбирать устройство (метод), который характеризуется значительно большей стабильностью и точностью, чем калибруемое устройство.

Методика и результаты полевых работ по измерению неровности и их анализ

Наиболее доступным и широко используемым считается геодезический метод измерения ровности нивелиром и нивелирной рейкой, или метод амплитуд, результаты которого приведены в настоящей работе. При проведении измерений по этому методу соблюдались следующие правила [6]:

1) длина участка измерений была не менее 400 м (измерения выполнены на участке длиной 800 м);

117

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

2) места установки нивелирной рейки и интервалы, регламентированные СНиП 3.06.03–85, были расположены на одной линии, находящейся на расстоянии 1,0–1,5 м от кромки покрытия по левой и правой сторонам дороги. Места установки были обозначены метками;

3) измерения проводились последовательно, с установкой нивелирной рейки на каждую последующую метку;

4) при интервале между метками 5 м для одной захватки нивелира получалось около 60 значений амплитуд.

Расчеты производились в следующей последовательности: 1) по данным измерений вычислены относительные отметки

hi точек поверхности покрытия (основания) дороги в местах разметки;

2) по относительным отметкам точек поверхности в местах разметок определены отклонения δhi этих точек (кроме первой и

последней на участке измерений) от прямой линии, проходящей через предыдущую (i – 1) и последующую (i + 1) точки, по формуле

где hi–1 и hi+1 – относительные отметки предыдущей и последующей точек;

3) общее число величин δhi принимается за 100 %, с точностью 0,1 % вычислены число величин δhi, которые меньше или равны допускаемым СНиП 3.06.03–85 и СниП 32.03–96, δhi – больше допускаемых и δhi – больше допускаемых, но меньше 1,5 δhi допускаемых. Найдена наибольшая величина ±δhi.

На рис. 2 приведена схема расчета по формуле (1). Данные обработки результатов измерений по оценке ровности участка автомобильной дороги сведены в таблицы, по которым построен график вероятности неровностей на участке измерений.

118

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

hi-1

Рис. 2. Схема расчета амплитуд ровности

Согласно СНиП 3.06.03–85 для оснований и покрытий из щебеночных смесей по способу пропитки органическими вяжущими и способу смешения на дороге для дорог IV, V категорий условия хорошей оценки ровности состоят в следующем.

Не более 5 % результатов определений могут иметь значение просветов в пределах до 20 мм, остальные – до 10 мм.

Для дорог 1-с, 11-с, 111-с допускается не более 5 % результатов определений величиной просвета до 30 мм, остальные – до 15 мм.

Оценка состояния ровности автомобильной дороги принята по нормативам для дорог IV и V категорий.

На участке работ за два полевых сезона учебной практики студентами Д.В. Макаровым и И.А. Образцовым выполнены измерения примерно в 600 точках по створам, уложенным по левой и правой сторонам проезжей части дороги на расстоянии примерно 1,0– 1,5 м от границы обочины. Четкая граница обочины и проезжей части автомобильной дороги прослеживается с трудом, из-за того что сильно деформированная проезжая часть дороги часто вынуждает водителей пользоваться обочинами.

Анализ таблиц вычисленных амплитуд показал, что число измерений, которые меньше или равны допустимым, составляет от 48 до 51 %, т.е. на 40 % меньше количества допускаемых для удовлетворительной оценки состояния дороги. Число измерений, превышающих допуск, составляет от 48 до 50 %. Полученные результаты свидетельствуют об опасном и, возможно, прогрессирующем неудовлетворительном состоянии обследованного участка автомобильной дороги.

119

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

По данным измерений δhi составлен график распределения

вероятностей амплитуд неровности покрытия автодороги, показанный на рис. 3. Возможное теоретическое распределение вероятностей показано на графике в виде сплошной кривой. Параллельными вертикальными прямыми показаны примерные границы поля допустимых альтитуд значений ровности.

Рис. 3. Распределение значений амплитуд ровности на участке измерений

Из графика видно, что разброс величины альтитуды неровности колеблется в пределах от +200 мм до –150 мм и сконцентрирован в пределах ±75 мм. Допустимые значения альтитуд немного превышают 20 % вместо допускаемых хотя бы 80 %. Сопоставить полученные результаты с данными диагностики НИДЦ СГУПС не представилось возможным.

По итогам работы были сделаны следующие выводы:

1.Выполнены геодезические работы по диагностике ровности дорожного покрытия на участке длиной 800 м автомобильной дороги–2107.

2.Анализ результатов обработки измерений показал, что количество измерений, превышающих допуск, составляет от 48 до 50 %, т.е. почти в два раза превышает нормативы.

3.Имеет место несоответствие состояния участка дороги типу движущихся транспортных средств. Это привело к интенсив-

120